Nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về lún và ổn định từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL

1 MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) có hệ thống sông ngòi chằng chịt, nhiều vùng đầm lầy, cao độ mặt đất tự nhiên thấp, dễ bị ngập lũ. Cấu tạo địa chất chủ yếu là đất yếu nên đường bộ kém phát triển, chi phí xây dựng lớn. Ổn định nền đường khi đắp cao chống ngập kém, độ lún hàng năm của hệ thống đường đang khai thác thường từ 2÷5 cm nên phải thường xuyên nâng cao mặt đường bằng lớp móng đá và lớp mặt đường mới gây tốn kém và mặt đường rất dễ hư hỏng, lún cục bộ gây mất an toàn giao thông. Để đẩy mạnh phát triển kinh tế khu vực, cần phải phát triển hệ thống giao thông đường bộ tồn tại cùng với lũ và đánh giá khả năng ổn định, lún từ biến của các công trình thực tế so với tính toán lí thuyết, vì qui trình hiện nay chưa có tính lún, ổn định từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL. Đây là mục tiêu phải giải quyết của luận án này. 2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về lún và ổn định từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL và ở thành phố Hồ Chí Minh. 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập tài liệu của các tác giả trong, ngoài nước có liên quan đến đề tài. Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài. Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng và khảo sát, thử nghiệm hiện trường. Nghiên cứu áp dụng trên các công trình thực tế ở ĐBSCL và Thành Phố Hồ Chí Minh. Thông tin khoa học: tham gia hội thảo khoa học và đăng báo thông tin các kết quả nghiên cứu được trên các tạp chí khoa học. 2 4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu sự thay đổi độ nhớt theo cấu trúc của đất khi dịch chuyển từ biến do ứng suất tiếp đến trạng thái trượt của đất. Nghiên cứu lý thuyết và chế tạo thiết bị thí nghiệm độ nhớt của đất theo nguyên lý cắt xoay với tốc độ cắt chậm. Nghiên cứu chuyển dịch từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL do ứng suất tiếp, từ đó làm nền tảng nghiên cứu cơ sở khoa học, thực tiễn về hệ số an toàn từ biến do ứng suất tiếp dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động. Nghiên cứu về tốc độ từ biến và sự thay đổi tốc độ từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động. Nghiên cứu về lún từ biến do ứng suất pháp tổng, ứng suất tiếp của nền đất yếu dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động và theo độ lớn của ứng suất tác động so với áp lực tiền cố kết, ngưỡng từ biến của N.N. Maslov. Ngoài các thông số áp lực tiền cố kết hay hệ số tiền cố kết OCR, hệ số rỗng e, độ sệt I L , NCS nghiên cứu các dấu hiệu của đất ở ĐBSCL dễ xảy ra mất ổn định từ biến và có giá trị lún từ biến lớn do ứng suất pháp tổng và ứng suất tiếp. 5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU  Ý nghĩa khoa học: 1. Đề xuất phương pháp đánh giá độ ổn định và biến dạng từ biến có xét yếu tố độ nhớt thay đổi. 2. Đề xuất phương pháp xác định độ nhớt thay đổi theo chuyển dịch từ biến của khối đất nền đến trạng thái trượt bằng phương pháp cắt xoay với tốc độchậm  Ý nghĩa thực tiễn: 1. Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá độ ổn định và biến dạng có xét đến yếu tố từ biến phù hợp với đất yếu bão hòa nước của khu vực. 3 2. Kết quả nghiên cứu có thể được dùng để định hướng thiết kế cho công trình cấp cao như đường cao tốc và làm cơ sở đề xuất cho Bộ GTVT tính toán thiết kế đường ô tô trên nền đất yếu có xét yếu tố từ biến theo các trạng thái giới hạn. 6 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Luận án gồm 2 phần: Phần thuyết minh và phần phụ lục. Phần thuyết minh: gồm phần mở đầu, 04 chương, kết luận và kiến nghị, tổng cộng 98 trang, bao gồm 94 trang nội dung, 04 trang danh mục tài liệu tham khảo và danh mục các công trình nghiên cứu đã công bố, 59 hình vẽ và 29 bảng số. Phần phụ lục (được đóng tập riêng): 100 trang bao gồm các phụ lục kết quả thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường, các bảng kết quả tính chi tiết. 7 CÁC CÔNG TRÌNH BỊ SỰ CỐ VÀ NGHIÊN CỨU TIÊU BIỂU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC 7.1 Các công trình bị sự cố tiêu biểu Sự cố lún từ biến do ứng suất tiếp làm biến dạng mặt đường quá lớn, dịch chuyển mố cầu Văn Thánh 2, lún hầm chui mố M1, M2 Cầu Văn Thánh 2 gây mất khả năng đảm bảo khai thác tuyến đường Nguyễn Hữu Cảnh. Sự cố lún từ biến phát triển nhanh đến trượt nền đường dẫn vào cầu Trao Trảo, HL 33, Quận 9, Tp. Hồ Chí Minh do đắp tăng tải quá nhanh và quá lớn đưa đến mất ổn định, gây biến dạng từ biến và phát triển nhanh đến trượt. Sự cố lún từ biến phát triển nhanh đếntrượt nền đường đắp vào cầu Trường Phước, Quận 9, Tp. Hồ Chí Minh tương tự sự cố đường dẫn vào cầu Trao Trảo ở trên. 7.2 Các công trình nghiên cứu, thực nghiệm trong và ngoài nước N.N. Maslov(1984): Nghiên cứu lý thuyết vật lý kỹ thuật về từ biến của đất loại sét trong thực tế xây dựng. GS.TSKH Lê Bá Lương(1972): Nghiên cứu phương pháp tính toán ổn định công trình theo thời gian. 4 GS.TSKH Nguyễn Văn Thơ (1972-1975): Nghiên cứu độ bền lâu dài của đất dính ở Liên Xô. N.N. Maslov và những cộng sự của ông (1994) nghiên cứu sự giảm độ bền lâu dài của đất dính. Bjerrum(1967) và Butterfield(1979) với công trình thử nghiệm ở Boston - Mỹ và Ska Edeby(1961) - Thụy Điển đã nghiên cứu sâu về chuyển vị đứng và chuyển vị ngang từ biến của nền đất yếu dưới nền đường theo mô hình Soft soil creep. Nghiên cứu ổn định và biến dạng theo thời gian ở dự án Bang kok - Siracha Highway (1967). Công trình nghiên cứu đập thí nghiệm tại học viện kỹ thuật Á Châu do Dr. Bergado chủ trì (1991) có sử dụng PVD. Công trình nghiên cứu ổn định và biến dạng, thực nghiệm đắp đập tải trọng ở Cà Mau – Năm Căn có xử lý và không xử lý bấc thấm. Đề tài KHCN cấp Nhà nước KHCN 10 - 05 nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế và lựa chọn biện pháp xử lí nền đường ôtô qua vùng đất yếu năm 2000. Hình 0.1 Hiện tượng mất ổn định từ biến và phát triển nhanh đến trượt ở đường dẫn vào cầu Trao Trảo, Hương lộ 33, Quận 9, TP Hồ Chí Minh năm 2000. 5 Hình 0.2 Đường quốc lộ 80 đoạn Sa Đéc, Bắc Vàm Cống phải nâng cao độ móng mặt đường thường xuyên do lún cố kết và từ biến để chống ngập do nước triều, lũ. Hình 0.3 Sự cố lún từ biến phát triển nhanh đến trượt nền đường đắp vào cầu Trường Phước tại Quận 9, TP Hồ Chí Minh vào tháng 4 năm 1999. Hình 0.4 Sự cố lún từ biến do ứng suất tiếp đường dẫn vào cầu và hầm chui Văn Thánh 2, đường Lê Thánh Tôn nối dài TP Hồ Chí Minh. 6 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH ĐBSCL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Vùng châu thổ sông Cửu Long tương đối bằng phẳng, được thành tạo bởi những trầm tích trẻ xen kẽ trầm tích cổ, ngoại trừ một số ít đồi núi ở cực Nam. Ở phía dưới tầng trầm tích trẻ là tầng trầm tích cổ. Ngược về phía Tây Ninh, Đồng Nai thì lớp trầm tích cổ xưa xuất hiện ngay trên mặt đất, điều này chứng tỏ trầm tích trẻ mỏng dần về hướng tiếp giáp với miền Đông Nam Bộ. Địa tầng ở đồng bằng sông Cửu Long được chia làm 2 tầng rõ rệt là tầng trầm tích trẻ Holocene và tầng trầm tích cổ Pleistocene Theo [1], [2] tính chất cơ lý của đất bùn sét ở một số tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (như ở bảng 1-1). Hình 1.1 Phân vùng địa chất công trình ĐBSCL 7 Bảng 1.1 Đặc trưng cơ lý của đất bùn sét ở một số tỉnh ĐBSCL STT Tỉnh Tên đất Chỉ tiêu Tp. HCM Bùn sét ambQIv Đồng Tháp Bùn sét ambQIv Đồng Tháp Bùn á sét ambQIv 1 Chiều sâu (m) 0÷21 0÷21 0÷21 2 Số mẫu thí nghiệm 110 28 13 3 Thành phần hạt(%) – sỏi >2 mm - - - 4 Cát 2 – 0,05 mm 16 14 17 5 Bụi 0,05 – 0,005 mm 29 32 33 6 Sét < 0,005 mm 42 47 46 7 Thành phần hữu cơ % 13 7 14 8 Độ ẩm W % 77.15 62.03 101.2 9 Dung trọng tự nhiên  (T/m 3 ) 1.55 1.62 1.43 10 Dung trọng khô  c (T/m 3 ) 0.87 1.00 0.71 11 Tỷ trọng G s (Δ) 2.64 2.64 2.62 12 Hệ số rỗng e 2.03 1.64 2.69 13 Độ bão hòa S r (%) 100 99.85 98.5 14 Giới hạn nhão W L (%) 69 58.6 74.38 15 Giới hạn dẻo Wp (%) 43 33.8 48.65 16 Chỉ số dẻo I p (%) 26 24.8 25.73 17 Độ sệt I L (B) 1.33 1.14 2.04 18 Góc ma sát  (độ) 4 6 5 19 Lực dính c (kG/cm 2 ) 0.06 0.11 0.04 20 Hệ số nén a 1-2 (cm 2 /kG) 0.162 0.105 0.203 21 E 0 (kG/cm 2 ) 11 15 8 22 Hệ số thấm k (cm/s) 4.10 -7 - - 8 Bảng 1.2 Đặc trưng cơ lý của các lớp đất ĐBSCL Tên đất Góc ma sát trong υ (độ) Lực dính c (kG/cm 2 ) Hệ số nén lún (cm 2 /kG) Module tổng biến dạng (kG/cm 2 ) Sức chịu tải R (kG/cm 2 ) Trị tiêu chuẩn Trị tính toán Trị tiêu chuẩn Trị tính toán P = (1÷2) kG/cm 2 Trị tiêu chuẩn Trị tính toán Lớp 1 Sét màu nâu 22 11÷24 18 0,22 0,05÷0,46 0,06 0,041 0,029÷0,052 50 24÷89 20 1.5 1,0÷2,0 Lớp 2 Bùn sét 14 6÷17 6 0.14 0,08÷0,20 0,12 0,173 0,084÷0,344 8 6÷10 5 < 0,5 Lớp 3 Bùn á sét 16 6÷18 6 0,14 0,004÷0,29 0,04 0,111 0,092÷0,240 22 16÷34 10 < 0,5 Lớp 4 Bùn á cát 22 15÷30 18 0,19 0,02÷0,34 0,05 0,036 0,01÷0,055 35 < 0,5 Lớp 5 Sét loang lỗ 14 10÷35 12 0,22 0,06÷0,51 0,11 0,018 0,099÷0,033 300 200÷335 65 2.5 2,0÷4,0 Lớp 6 A cát 25 22÷35 23 0,19 0,07÷0,29 0,10 0,02 0,07÷0,041 60 2,0 1,5÷3,0 9 1.2 TỔNG QUAN MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ BIẾN DẠNG NỀN ĐẤT YẾU DƯỚI NỀN ĐƯỜNG Ô TÔ 1.2.1 Tính toán kiểm tra khả năng chịu tải của đất yếu dưới nền đường đắp 1.2.1.1 Nội dung phương pháp đánh giá khả năng chịu tải nền đất yếu Khả năng chịu tải của nền đất yếu dưới nền đường đắp, mức độ huy động khả năng chịu lực được đánh giá thông qua hệ số an toàn:   đ   (1-1) q đn - sức chịu tải của nền đất yếu, có hai trường hợp tính toán. q đn = q at nếu tính theo tải trọng an toàn. q đn = q gh nếu tính theo tải trọng cho phép. q tt - tải trọng tính toán thực tế của nền đường tác dụng lên đất yếu.                         a) Nền đất chịu tải phân bố đều [3], [4], [5] Theo lí thuyết biến dạng tuyến tính và theo Sokolovski, N.P.Puzưrevski, Prandtl cho tải trọng hình băng phân bố đều, nền không trọng lượng γ=0 Tải trọng giới hạn đàn hồi: cp . 0   Tải trọng giới hạn:   cp gh .2            với K - hệ số an toàn (1-2) b) Nền đường, đập đất, tải trọng hình băng phân bố tam giác: γ=0, φ=0,c≠0 Ở điểm M (x = 0, z = 0,5.b); Theo N.N. Maslov: p 0 = 4.c Nếu vùng dẻo phát triển theo chiều rộng đạt 2b, p gh = 6,25c     (1-3) c) Trường hợp tổng quát: γ≠0, φ≠0, c≠0 Theo N.P.Puzưrevski:          (1-4) n = c.cotgυ với q - tải trọng bên (phụ tải) 10 Theo Berezantsev, tải trọng giới hạn:     (1-5) A, B, D - các thông số được xác định theo υ Ở đây có thể thấy rằng khi hệ số an toàn tải trọng lớn hơn 1,56 ÷ 1,64 thì nền còn làm việc ở giai đoạn đàn hồi, vùng dẻo chỉ mới xuất hiện một điểm ở nhân hoặc hai mép tải trọng. 1.2.1.2 Các phương pháp xác định sức chịu tải của nền đất yếu [6], [7], [8] a) Đánh giá khả năng chịu tải của nền đất yếu theo tải trọng an toàn [9]  Trường hợp tải trọng nền đường phân bố gần với dạng tam giác cân       (1-6) b - nửa chiều rộng của đáy nền đường. , c,  - góc ma sát trong, lực dính, dung trọng của nền đất yếu dưới nền đường.  0 - Hệ số phụ thuộc vào góc ma sát trong , được xác định theo bảng 1-3 Khi  = 0, từ (1-6) và bảng (1-3), ta có:    (1-7)  Trường hợp tải trọng nền đường phân bố theo dạng hình thang cân, khi bỏ qua dung trọng của đất nền có thể sử dụng công thức theo [7]:      (1-8) Trong đó:  0 - hệ số phụ thuộc vào b a và  , tra theo bảng 1.4: Bảng 1.3 Bảng tra hệ số tải trọng an toàn  0 theo góc ma sát trong  ( 0 ) 0 5 7 9 10  0 0.5 0.435 0.410 0.386 0.370 Bảng 1.4 Bảng tra hệ số tải trọng an toàn  0 theo tỷ lệ a/b và  a / b υ( 0 ) 0 1 2 3 5 10 20 0 3.14 3.20 3.29 3.37 3.47 3.61 3.74 5 3.62 3.70 3.80 3.90 4.05 4.22 4.36 10 4.19 4.31 4.42 4.54 4.72 4.95 5.07 15 4.86 4.97 5.18 5.31 5.50 5.78 5.98 20 5.65 5.83 6.05 6.24 6.50 6.85 7.09 [...]... tích tính lún từ biến do ứng suất pháp của nền đất yếu dưới nền đường ô tô còn chưa tính đến mức độ từ biến xảy ra mạnh yếu khác nhau do ứng suất gây lún dưới nền đất yếu lớn nhỏ khác nhau và so với áp lực tiền cố kết của phân lớp đất khác nhau 6 Hệ số an toàn ổn định từ biến có thể bị suy giảm do ảnh hưởng của nước ngập lũ, thấm thủy động qua nền đất yếu dưới nền đường gây nguy hiểm cho công trình... vào (1-113) ta được: (1-115) ] ∑[ ∑( ) 1.10 NHẬN XÉT CHƯƠNG I Từ việc tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có, có thể rút ra một số nhận xét: 1 ĐBSCL là vùng đất yếu lại trũng thấp, sông ngòi chằng chịt, đất đắp nền đường thường lớn hơn 2,5 ÷ 3m để chống ngập lũ thuộc nền đường đắp cao trên nền đất yếu nên dễ xảy ra quá trình từ biến gây độ lún đáng kể 2 Có thể chọn chiều cao đắp đất nền đường trên nền. .. hạn cho phép [hgh] chịu tải của nền đất yếu bên dưới: [ (1-13) ] Nếu nền đường đắp với dung trọng đất đắp là đđ, từ điều kiện (1-9) có thể xác định chiều cao giới hạn cho phép [hgh] theo khả năng chịu tải của nền đất yếu ( ≤ 50): đđ [ ] [ ] đđ (1-14) cu - lực dính của nền đất yếu dưới nền đường, được xác định theo sơ đồ nén không cố kết – không thoát nước (sơ đồ UU) Nếu không có điều kiện thí nghiệm... trên nền đất yếu theo chiều cao đắp giới hạn [ ] [ [ ] ] 3 Trong đánh giá hệ số an toàn khi lấy hệ số an toàn tải trọng Fs > 1,64 thì nền còn làm việc ở giai đoạn đàn hồi, vùng dẻo chỉ mới xuất hiện một điểm ở nhân hoặc hai mép tải trọng 4 Lý thuyết tính biến dạng từ biến phức tạp và chưa tính tốc độ chuyển dịch từ biến do ứng suất tiếp của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ 5 Công thức dạng giải. .. Vùng biến dạng dẻo là nhân của vùng biến dạng từ biến và vùng biến dạng dẻo đồng dạng với vùng biến dạng từ biến Các kết quả đã nghiên cứu cho thấy vùng biến dạng dẻo tối đa chỉ cho phép phát triển ứng với bề rộng d = 0,5÷0,6 và vùng biến dạng từ biến đã phát triển tới bề rộng ứng với d = 1÷1,2, chiều sâu lớn nhất ứng v = z = 1÷2 Ở trạng thái này, biến dạng từ b biến đã có nguy cơ từ biến dạng từ biến. .. mà chỉ có các thông số chống cắt cbh , bh thì có thể tính giá trị lực dính tương đương cutd để tận dụng góc ma sát bh theo công thức (1-15) [1], [2]: (1-15) đđ Công thức (1-14) có thể viết lại: [ ] (1-16) đđ 1.2.2 Biến dạng lún cố kết của nền đất yếu dưới nền đường 1.2.2.1 Tính độ lún ổn định theo hệ số nén lún Giá trị lún của mỗi lớp được tính theo: S i  a0i  zi hi Tổng độ lún của đất nền ứng với... cứng của đất w - lực dính nhớt của đất cw - lực dính tổng phụ thuộc độ chặt – độ ẩm của đất 17 Hình 1.4 Sơ đồ mô hình từ biến theo N.N Maslov Biến dạng từ biến tắt dần và từ biến không tắt dần: Căn cứ vào điều kiện phá vỡ độ bền liên kết cứng của đất: lim = tgυ w + cc Khi  < τlim = tgυ w+ cc: biến dạng từ biến không xảy ra Khi  > đ = tgυ w + cc +Σw: sự phá hoại của đất xảy ra Khi lim = tgυ w... hiệu từ σ0’ đến σ’ và một khoảng thời gian tc+t’ 30 Hình 1.9 Đường cong ứng suất biến dạng có được từ thí nghiệm hộp nén, biến dạng được phân chia thành phần đàn hồi và phần từ biến với t0+ tc = 1 ngày 1.8.3 Phương trình vi phân cho từ biến trong sơ đồ bài toán một chiều Biến dạng là tổng phần đàn hồi e và phần từ biến phụ thuộc thời gian c, ứng suất tiền cố kết dựa vào lượng biến dạng từ biến tích lũy...  B  Trong đó : St(t) - Độ lún theo thời gian có xét đến cố kết và từ biến Ha, D - Chiều sâu đất nền và vùng hoạt động nén lún thứ nhất 22 (1-51) z, TN - ứng suất nén ở độ sâu z, ứng suất trong phòng thí nghiệm t, r1 - các thông số cố kết giai đoạn thứ nhất tW, t - thời gian cố kết và từ biến của đất nền đ, c - hệ số nhớt ban đầu và cuối cùng của quá trình từ biến đ  1,6 107 sec.g/cm2 =... nén lún Hình 1.6 Phạm vi chịu nén lún và áp lực nén với qkc theo qkc Điều kiện để xác định vùng ảnh hưởng D hoạt động lún do từ biến: σz – qkc = 0 1.5 VÙNG HOẠT ĐỘNG TỪ BIẾN Dητ DO ỨNG SUẤT TIẾP Xác định chiều dày vùng hoạt động từ biến Dητ do ứng suất tiếp từ điều kiện  = lim là giới hạn bắt đầu xuất hiện từ biến Điều kiện xuất hiện từ biến trên mặt bất lợi nhất, tại một điểm bất kỳ trong đất nền: . của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL. Đây là mục tiêu phải giải quyết của luận án này. 2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về lún và ổn. suất tiếp dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực thủy động. Nghiên cứu về tốc độ từ biến và sự thay đổi tốc độ từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô chịu ảnh hưởng của áp lực. chậm. Nghiên cứu chuyển dịch từ biến của nền đất yếu dưới nền đường ô tô ngập lũ ở ĐBSCL do ứng suất tiếp, từ đó làm nền tảng nghiên cứu cơ sở khoa học, thực tiễn về hệ số an toàn từ biến do